Titel: Delabar, über Wilcox's Heißluftmaschine.
Autor: Delabar, Gangolf
Fundstelle: 1863, Band 170, Nr. LXXXVIII. (S. 321–329)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj170/ar170088

LXXXVIII. Wilcox's Heißluftmaschine; von Conrector G. Delabar.

Mit Abbildungen auf Tab. VI.

Unter den verschiedenen Maschinen, die ich bei der letztjährigen Industrie-Ausstellung in London zu besichtigen und näher kennen zu lernen Gelegenheit hatte, gehörte Wilcox's Heißluftmaschine mit zu denjenigen, welche meine Aufmerksamkeit am meisten in Anspruch nahmen. Dieselbe wurde von den Herren Wilcox, Denison und Taylor von Westerley in Rhode Island, Nordamerika, zur Ausstellung geschickt, und da im Ausstellungsgebäude kein Feuer erlaubt war, von ihrem Vertreter, Hrn. Denison, in einem Hause der benachbarten Straßen (Nr. 4 der Cromwell Lane) aufgestellt und in Thätigkeit gesetzt, wo ich sie denn auch während meines Aufenthaltes in London wiederholt besichtigt und untersucht habe.

Obgleich schon früher über diese Maschine eine Mittheilung in diesem Journal (Bd. CLX S. 337) erschienen ist, so dürfte eine weitere, mit genauen Zeichnungen versehene Darstellung für die Leser dennoch von Interesse seyn, und um so mehr, als dieselbe, so viel mir bekannt, auch in keiner anderen deutschen technischen Zeitschrift bis jetzt einläßlich beschrieben worden ist.

Indem ich es daher unternehme, von dieser aller Beachtung werthen Heißluftmaschine eine mit den nöthigen Zeichnungen begleitete ausführliche Beschreibung zu liefern, bemerke ich zum voraus, daß ich hierbei einem Berichte folge, welchen der Engineer vom 9. Mai 1862 nach einem Artikel des Scientific American darüber gegeben hat.

Von dieser Maschine zeigt:

Fig. 1 eine polarperspectivische Ansicht,

Fig. 2 einen verticalen Schnitt durch die Mitte der Cylinder, und

Fig. 3 eine Ansicht der Ventilbewegung.

Aus diesen Figuren ersieht man sogleich, daß diese Wilcox'sche Maschine gegen die bekanntere Ericsson'sche eine ganz verschiedene Anordnung hat. Nicht nur ist dabei der Feuerraum viel zweckmäßiger, |322| in einem Untersatz angebracht, sondern auch der complicirte, krebsartige Mechanismus, wie er bei allen anderen, bis jetzt bekannt gewordenen calorischen Maschinen angetroffen wurde, ist bei ihr durch eine in der That sehr einfache, solide und zweckmäßige Construction ersetzt. In Folge dessen soll dieselbe in Amerika seit ihrer Erfindung und ersten Einführung auch bedeutend in Aufnahme gekommen seyn. Ihre Einrichtung ist folgende:

A, A ist der Arbeitscylinder und a der einfachwirkende Arbeitskolben in demselben; B, B der Auswechslungs- und Speisecylinder und b der in demselben; wirksame Kolben; C, C die Hauptwelle, welche ihre Unterstützung in den Lagern D, D der Bogen d, d hat, und C', C'' sind die beiden Kurbeln, welche nahezu rechte Winkel mit einander bilden und vermittelst der Kolbenstangen a' und b', b'' mit den Kolben a und b, die denselben Durchmesser haben, in Verbindung stehen. E ist das Schwungrad. F ist die mit dem Cylinder B und der äußeren Atmosphäre communicirende Ventilbüchse und f das Ventil, welches mittelst der Achse f' und der Stange g, vom Excentric G aus regulirt, die Canäle h, h' und h'' nach Erforderniß schließt und öffnet. I, I ist eine kleine Kammer, welche oberhalb frei mit F und unterhalb mit beiden Cylindern A und B in Verbindung steht und den Regenerator K enthält, der aus dünnen Metallplatten besteht und die Ersparniß der Wärme bezweckt.

Die Cylinder A und B, welche aus je zwei Stücken bestehen, sind mittelst Flantschen an die Deckplatte L befestigt. Die unteren Stücke, welche in den Unterbau des Heizofens hineinreichen, sind, sammt der unteren Hälfte der Kammer I, I aus einem Stück gegossen und als die eigentlichen Heizflächen zu betrachten. Die Böden A' und B' der Cylinder sind, wie man sieht, concav und auf eine bedeutende Strecke in die hohlen Räume der Cylinder hineinreichend. Dadurch wird nicht nur ihre Heizfläche bedeutend vergrößert, sondern auch ihre Widerstandsfähigkeit beträchtlich vermehrt, so daß sie dem Zerspringen durch den inneren Druck viel weniger ausgesetzt sind.

Das obere Ende der Cylinders A steht durch Oeffnungen m, m im Deckel M mit der äußeren Luft in freier Verbindung, während der obere Theil des Cylinders B durch eine dicht aufgesetzte Deckplatte N geschlossen ist und mittelst des Ventils f und der Canäle h' und h'' abwechselnd mit der äußeren Atmosphäre und dem Regenerator communicirt.

Die Kolben a und b sind etwas länger als ihr Hub, und auf der unteren, der Hitze ausgesetzten Seite mit einer die Wärme nicht leitenden Substanz gefüllt, wodurch sie vor Wärmeverlusten geschützt werden. Der Kolben a ist durch eine lange Stange a' mit der Kurbel C' und |323| der Welle C direct verbunden, während der Kolben b an der Kolbenstange b' hängt, welche durch die Stopfbüchse n geht und oberhalb mit dem Kreuzkopf b₁, der an den Stützpfeilern o, o seine Führung hat, verbunden ist, durch welchen die Bewegung auf die Kurbelstange b'' und dadurch auf die Kurbel C'' und die Achse C übertragen wird.

Das Ventil f hat eine eigenthümliche Form und ist so eingerichtet, daß es bei seiner, vom Excentric G ausgehenden oscillirenden Bewegung durch die Canäle h, h' und h'' die Verbindung zwischen dem oberen Theil des Cylinders B, dem Regenerator K und der äußeren Atmosphäre, wie schon oben angedeutet, herzustellen geeignet ist. Die Art und Weise, wie die Ventil- oder Schieberbewegung vermittelt wird, zeigt insbesondere Fig. 3. Darin bedeutet P das Seitenende der Ventilbüchse, q einen geschlitzten Arm, welcher am Ende der Ventilachse f'' befestigt ist, r einen weiteren Arm, welcher einerseits mittelst des Rollzapfens s aus Stahl mit dem Schlitzarm q in Verbindung steht und andererseits auf der Welle t sitzt, die ihrerseits durch die Kurbel u und die Stange g vom Excentric G aus die abwechselnd hin und her rotirende Bewegung erhält. Durch die Kurbel r wird die Bewegung weiter auf den Rollzapfen s, der im Schlitz des Armes g hin und her gleitet, und durch letzteren auch auf die Ventilachse f' und das Ventil f selbst übergetragen. Dabei sind die Dimensionen und Bewegungen so angeordnet, daß das Ventil f sehr schnell die Bewegung von einer Lage zur anderen vermittelt und in den einzelnen Positionen einer Umdrehung eine entsprechende Zeit lang verweilt.

Im Weiteren ist V der Feuerraum, welcher von dem Mauerwerk W umgeben ist und durch eine Oeffnung v im Centrum desselben den Verbrennungsproducten in die Höhe zu steigen gestattet. Diese Construction schützt den Rand B' des Cylinders B vor der zerstörenden Wirkung der intensiven Hitze des Feuerraums, ohne Verlust an Wärme mit sich zu bringen. Im Gegentheil, die Hitze wird auf diese Weise nur mehr zusammengehalten und den Verbrennungsproducten mitgetheilt, welche alsdann mit erhöhter Temperatur den ganzen hohlen Raum der Cylinderbasis ausfüllen, an diese die Wärme gleichmäßig abgeben und durch den Rauchfang x in den Schornstein abziehen.

Diese gleichförmige Wärmeabgabe und Wärmeausnutzung ist von großer praktischer Wichtigkeit, denn auf ihr beruht wesentlich die bei dieser Maschine erzielte Oekonomie des Brennmaterials und die Dauerhaftigkeit des dabei verwendeten Metalls.

Als ein weiteres Schutzmittel gegen die Ueberhitzung irgend eines mit dem Feuer in Verbindung stehenden Theiles dient der selbstthätige |324| Regulator y, durch welchen die Expansion und Verdampfung des in einem Behälter des Heizraumes eingeschlossenen Quecksilbers benutzt wird, einen Schieber und Dämpfer in der Rauchkammer mehr oder welliger zu schließen und zu öffnen. Auch dadurch wird die Temperatur möglichst gleichförmig erhalten und verhindert, daß die Erhitzung des Metalls über eine gewisse, zulässige Grenze hinausgeht.

Der obere Theil des Kolbens a, welcher in gewisser Beziehung einer Rolle gleicht, ist mit Armen versehen und bewegt sich luftdicht in dem Cylinder A auf und ab. Zwischen ihm und dem unteren, mit einem schlechten Wärmeleiter ausgefüllten Theil ist ein Raum z gelassen, der sich mit kalter Luft anfüllt, damit die Temperatur des Mittelgelenkes mit der Stange a', sowie die Metalldichtung am Umfang auf einer so niedrigen Temperatur erhalten wird, daß das Oel und Fett der Schmierung den flüssigen Zustand leichter beibehält und den Zweck des Schmierens besser erfüllt. Zu diesem Behufe ist der Deckel M über A, wie gesagt, mit mehreren Oeffnungen m, m versehen, durch welche die Luft über a angesogen wird, wenn der Kolben sinkt, und ausgetrieben, wenn er steigt. Durch dieses einfache Mittel wird die Temperatur der sich reibenden Theile so niedrig erhalten, daß sie hinreichend geschmiert werden können. Freilich ist nicht zu übersehen, daß gerade diese Abkühlung des Kolbens a für die Ausnützung der Wärme auch wieder nachtheilig ist. Doch glauben die Erfinder und Erbauer der Maschine durch diese Einrichtung unter zwei Uebeln jedenfalls das größere vermieden zu haben. Die Function des Cylinders B und des Kolbens b ist die, daß ersterer beim Hinabgehen des letzteren sich mit frischer Luft füllt, welche dann beim Hinaufgehen desselben durch den Regenerator K getrieben, daselbst bedeutend vorgewärmt wird und in das untere Ende von B gelangt, wo sie nun bis auf einen hohen Grad erhitzt, ausgedehnt und durch den hohen Druck, den sie dadurch erlangt, in den Cylinder A übergeführt wird und ihre mechanische Arbeit an den Kolben a abgibt. Indem nämlich dieser auf der oberen Seite dem Druck der atmosphärischen Luft und auf der unteren dem bedeutend vergrößerten Druck der erhitzten Luft ausgesetzt ist, wird er natürlich im Verhältniß des Unterschiedes der beiderseitigen Pressungen in die Höhe getrieben. Durch die Stange a' und die Kurbel C' wird alsdann diese Arbeit der Welle C und dem Schwungrad E mitgetheilt. Hat a das Ende seines Hubes erlangt, so wechselt das Ventil und der Drehschieber f seine Lage in der Art, daß einerseits der Regenerator K durch den Canal h und andererseits der obere Theil des Cylinders B durch die Canäle h' und h'' mit der äußeren Luft in Verbindung steht. In Folge dessen strömt nun die heiße Luft, |325| welche sich in beiden Cylindern unter den Kolben a und b befindet, durch den Regenerator K, wo sie einen großen Theil ihrer Hitze zurückläßt und durch die Oeffnung h in die Atmosphäre entweicht, während der obere Theil des Cylinders B eine neue Füllung frischer Luft aufnimmt, welche alsdann in der nächsten Umdrehung die gleiche Umwandlung und Ausnutzung erleidet. Der Niedergang des Kolbens a vermittelt hierbei die in dem Schwungrad angesammelte lebendige Kraft und das Beharrungsvermögen der sich drehenden Masse.

Zur näheren Erläuterung dieser Wirkung und relativen Bewegungen der beiden Kolben und Ventile dienen noch insbesondere die Figuren 411. Dabei zeigt das Kreisdiagramm über jeder Figur die entsprechende Lage der Kurbeln und die Pfeile geben die Richtung an, nach welcher die Kolben sich bewegen.

In Fig. 4 hat der Arbeitskolben seinen Lauf aufwärts gerade vollendet und theilt seine Bewegung der Maschine mit, während das Ventil f in der Lage ist, in welcher es der erhitzten Luft den Ausweg gestattet und zwischen der Atmosphäre und dem Raum über dem Kolben b, der nun seinen halben Weg abwärts gemacht hat, die Verbindung herstellt. Der Raum über b füllt sich mit kalter Luft und die heiße Luft unter ihm und unter a entweicht durch den Regenerator K in die Atmosphäre. Diese Bewegung und Arbeit wird während der nächsten Viertelsumdrehung fortgesetzt, wie aus den Figuren 5 und 6 zu ersehen ist. Aus Fig. 5 bemerkt man, daß während dem keine andere Kraft aufgewendet wird als jene, welche für die Ueberwindung der Reibung an beiden Seiten beider Kolben nöthig ist, die in freier Communication mit der Atmosphäre stehen, folglich dem atmosphärischen Druck ausgesetzt sind.

In der Position Fig. 6 hat der Kolben b die tiefste Lage und der Cylinder B erlangt eine neue ganze Füllung frischer Luft, der Kolben a dagegen hat seinen mittleren Stand erreicht und das Ventil f seine Lage in der Art verändert, daß die Verbindung mit der äußeren Luft unterbrochen, dafür aber die Communication der warmen Luft unter und über dem Kolben b hergestellt ist.

In der nächsten Viertelsumdrehung, Fig. 7 und 8, fährt der Arbeitskolben a fort zu sinken, die warme Luft unter ihm wird immer mehr comprimirt und zum Theil durch den Regenerator und den Raum über b getrieben. Aber bevor noch a sein unteres Ende völlig erreicht, beginnt auch schon der Kolben b wieder zu steigen, ohne jedoch einem anderen als dem Reibungswiderstand zu begegnen, indem die Luft zu beiden Seiten desselben in freie Verbindung gesetzt ist. In Fig. 8 hat der Kolben a das Ende des Niedergangs erreicht und der Kolben b ist in |326| der Hälfte seines Laufes aufwärts angekommen. Unterdessen ist aber auch die Hälfte der erneuerten Luftfüllung durch den Regenerator in den Raum unter den Kolben b gelangt, welcher sich, wie man sieht, nun mit der größten Geschwindigkeit aufwärts bewegt, während umgekehrt der Kolben a, dem todten Punkt seiner Kurbelbewegung entsprechend, nahezu in Ruhe ist. Die unter den Kolben b gelangte Luft wird nun bedeutend erhitzt und ausgedehnt, und erlangt hierdurch das Maximum ihrer Spannung.

Bis dahin wird die Bewegung der Maschine durch das Beharrungsvermögen oder die lebendige Kraft des Schwungrades bewirkt. Nun aber folgt mit Beginn der dritten Viertelsumdrehung, Fig. 9 und 10, die directe Arbeit der erhitzten und ausgedehnten Luft, indem sie den Kolben a, welcher nun auf der unteren Seite einen viel größeren Druck als auf der oberen erleidet, in die Höhe treibt und mittelst der Stange a' und der Kurbel C' die Welle C in Umdrehung versetzt. Diese Arbeit wird in der letzten Viertelsumdrehung, Fig. 10, 11 und 4, bei abnehmender Expansion der Luft fortgesetzt. Noch bevor aber der Kolben a seine oberste Lage ganz erreicht und der Kolben b bereits wieder seinen Niedergang angefangen hat, wird durch den Wechsel des Ventils f sowohl der Regenerator und der untere Raum der beiden Cylinder A und B, als auch der obere Theil des Cylinders B wieder mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung gesetzt, siehe Fig. 11, und der Arbeitskolben a durchläuft den Rest seines Hubes im dynamischen Gleichgewicht.

Eine Umdrehung ist nun vollendet und die gleichen Bewegungserscheinungen und Arbeitsverrichtungen werden mit jeder folgenden Umdrehung wiederholt.

In der Wirklichkeit wird eine Umdrehung in 1/2–1/3 Secunde vollendet, oder, was dasselbe sagt, die Maschine macht 120–180 Umdrehungen per Minute.

Fig. 12 endlich zeigt noch ein Diagramm über die mechanische Arbeit, welche während einer Umdrehung entwickelt wird. Dabei sind die in den einzelnen Zeitabschnitten zurückgelegten Wege des Kolbens a als Abscissen und die entsprechenden Intensitäten des Ueberdruckes auf denselben in den zugehörigen Punkten als senkrechte Ordinaten aufgetragen. Der Anfangspunkt A der Coordinaten AX und AY entspricht hierbei jenem Zeitmoment der Kurbelbewegung, in welchem der Kolben a den tiefsten Stand einnimmt und der Ueberdruck der erhitzten Luft die Größe (von circa 10 Pfd. per Quadratzoll engl.) erlangt hat. Im Uebrigen sieht man, daß, während der Kolben a den Weg , die Kurbel C' |327| also eine halbe Achtelsumdrehung zurücklegt, der Ueberdruck wächst und in B das Maximum (circa 13 Pfd. per 1 Quadratzoll engl.) erlangt; daß ferner, während der Kolben a den Weg und die Kurbel C' eine drei Achtelsumdrehung durchläuft, der Ueberdruck stetig abnimmt und dann in dem Moment, in dem das Ventil f ausgewechselt, der Kolben a also auf beiden Seiten mit der äußeren Luft in Verbindung gesetzt wird, plötzlich fast bis auf Null fällt und diesen Werth wirklich erreicht, nachdem der Kolben a die weitere Wegstrecke , die Kurbel C' also eine weitere halbe Achtelsumdrehung zurückgelegt hat. Damit ist alsdann die halbe Umdrehung, welche dem Aufsteigen des Kolbens a entspricht, vollendet und es beginnt dessen Niedergang, während welchem in der ersten Hälfte der Weg zurückgelegt wird, der Kolben a im dynamischen Gleichgewicht sich befindet, der Ueberdruck also gleich Null ist. In der zweiten Hälfte des Niederganges, in welcher der Kolben a den Weg , oder die Kurbel C' das letzte Viertel dieser Umdrehung zurücklegt, und durch den Wechsel des Ventils die äußere atmospharische Luft abgeschlossen und die innere Luft der Wirkung des Feuers ausgesetzt wird, nimmt die Temperatur und auch die Spannung der letzteren wieder zu und, indem der Kolben a seinen Niedergang fortsetzt und die Wege durchläuft, erlangt deren Ueberdruck die Intensitäten Dd', Cc', Bb'. Dieser Ueberdruck wirkt während dieser letzten Viertelsumdrehung der Bewegung des Kolbens a entgegen, und die Maschine bewegt sich während dem nur in Folge der in ihr angesammelten lebendigen Kraft.

Nach diesen Erläuterungen ist nun klar, daß die mechanische Arbeit, welche dem Aufgang des Kolbens a entspricht, durch die Fläche AabcdefghJA, und jene, welche während des Niederganges verrichtet wird, durch die Fläche Aab'c'd'EA dargestellt wird. Da nun letztere, als Arbeit des während dem Niedergang auftretenden Luftwiderstandes, von ersterer, als der während dem Aufgang producirten Arbeit, in Abzug gebracht werden muß, so stellt endlich die Fläche abcdefghJEd'c'b'a die wirkliche, zur Umdrehung der Maschine verwendete Arbeit während einer Umdrehung dar.

Diesen Bewegungs- und Arbeitsverhältnissen der Maschine liegen folgende Temperaturzustände der dabei in Anwendung kommenden Luft zu Grunde: die Temperatur der angesaugten kalten Luft beträgt höchstens 100° F. oder 37° 2/3 C., die der erhitzten und ausgedehnten 600° F. oder. 315° 5/9 C. und die der expandirten und entweichenden Luft 260° F. oder 127° 5/9 C. Da diese letztere somit die höchste Temperatur ist, welcher |328| das Ventil f ausgesetzt ist, so hat es auch keine Schwierigkeit, dasselbe gehörig zu schmieren oder einzufetten.

Schließlich mögen die wichtigsten Vorzüge, welche der beschriebenen Heißluftmaschine von Wilcox eigenthümlich sind, noch besonders hervorgehoben werden. Diese sind:

1) Die sanfte Bewegung und der geringe Lärm, welche diese Maschine gegen alle übrigen calorischen Maschinen auszeichnet. Es ist dieß eine Thatsache, welche Jedem, der die Maschine in Thätigkeit sah, sogleich angenehm aufgefallen ist, und die von dem Umstand herrührt, daß beide Kolben denselben Hub besitzen, die Bewegung durch Kurbeln übertragen, und auch sonst kein lärmendes Ventil vorhanden ist wie bei den übrigen calorischen Maschinen.

2) Die große Geschwindigkeit und die damit verbundene vergrößerte Arbeitsleistung. Dieses Factum ist eine Folge der sanften, ruhigen Bewegung, der die Schmierung möglich machenden Vorkehrung, des in der Maschine eingeführten Regenerators und der bedeutend vermehrten Heizfläche, mittelst welcher die eingeschlossene Luft sehr schnell erhitzt werden kann.

3) Die bedeutende Stabilität und Dauerhaftigkeit der Maschine. Diese Eigenschaften rühren zunächst von der vortheilhaften und soliden Ausführung derselben her, sodann ebenfalls von ihrem sanften, von allen Stößen freien Gang, vom Gebrauch nur eines einzigen rotirenden Ventils, statt mehreren stoßenden Ventilen, und dem wirksamen Schutz der Heizfläche vor der directen Einwirkung des Feuers.

4) Die beträchtliche Oekonomie an Brennmaterial und Bedienung. Die Maschine von zwei Pferdekräften mit einem Cylinder-Durchmesser von 18'' engl. consumirt nämlich täglich, d.h. in 10 Arbeitsstunden nur circa 100 Pfd. amerikanische Anthracitkohle, also per Stunde und Pferdestärke nur circa. 5 Pfd., nach der Angabe von Denison sogar nur 4 Pfund engl. Was die Bedienung betrifft, so kann sie, wie ich mich selbst überzeugt habe, von jedem aufmerksamen Arbeiter besorgt werden. Auch kann die Maschine nöthigenfalls von jedem erfahrenen Mechaniker reparirt werden.

5) Die gänzliche Sicherheit vor dem Explodiren oder Zerspringen. Bei den angegebenen Verhältnissen der Erhitzung ist in dieser Beziehung gar keine Gefahr vorhanden. Die Maschine ist so sicher wie jeder andere Heizofen. Von einem eigentlichen Explodiren wie bei Dampfkesseln kann schon gar keine Rede seyn.

6) Der Umstand, daß sie zur Aufstellung nur einen kleinen Raum erfordert und verhältnißmäßig nicht besonders |329| hoch zu stehen kommt. Eine einpferdige Maschine von 12 Zoll Cylinder-Durchmesser erheischt bloß einen Raum von 24 Zoll auf 38 Zoll und kostet 2000 Frc. Eine zweipferdige Maschine von 18 Zoll Cylinder-Durchmesser erfordert dagegen einen Raum von 32 Zoll auf 50 Zoll engl. und kostet 2750 Frc.

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